DE102015113164A1 - Fluidic control - Google Patents
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Abstract
Ein fluidisches Steuerelement mit einem Gehäuse, in dem ein Fluidraum (16) ausgebildet ist, sieht vor, dass in den Fluidraum (16) zumindest ein erster und ein zweiter Strömungskanal (18, 22) münden, wobei wenigstens einer der Strömungskanäle (18, 22) einen verschließbaren Ventilsitz (24, 26) im Fluidraum aufweist. Ein um eine Achse (32) schwenkbarer Ventilkörper (28) kann im Fluidraum gegen den Ventilsitz (24, 26) geschwenkt werden. Als Antrieb ist ein elektroaktiver Polymeraktor (48) vorgesehen.A fluidic control element with a housing, in which a fluid space (16) is formed, provides that at least one first and one second flow channel (18, 22) open into the fluid space (16), at least one of the flow channels (18, 22 ) has a closable valve seat (24, 26) in the fluid space. A about an axis (32) pivotable valve body (28) can be pivoted in the fluid space against the valve seat (24, 26). The drive is an electroactive polymer actuator (48) is provided.
Description
Die Erfindung betrifft ein fluidisches Steuerelement, mit einem Gehäuse, in dem ein Fluidraum ausgebildet ist, in welchen zumindest ein erster und ein zweiter Strömungskanal münden, wobei wenigstens einer der Strömungskanäle einen verschließbaren Ventilsitz im Fluidraum aufweist, wobei ein um eine Achse schwenkbarer Ventilkörper in dem Fluidraum gegen den Ventilsitz geschwenkt werden kann, um den zugeordneten Strömungskanal zu schließen, und wobei außerhalb des Fluidraums ein Antrieb zum Schwenken des Ventilkörpers vorgesehen ist. The invention relates to a fluidic control element with a housing in which a fluid space is formed, into which at least one first and one second flow channel open, wherein at least one of the flow channels has a closable valve seat in the fluid space, wherein a pivotable about an axis valve body in the Fluid space can be pivoted against the valve seat to close the associated flow channel, and wherein outside the fluid space, a drive for pivoting the valve body is provided.
Solche fluidischen Steuerelemente, das heißt Ventile, sind in mehrere Bereiche unterteilt, wobei aber der Ventilkörper sich in den Fluidraum erstreckt, wogegen der Antrieb außerhalb des Fluidraums sitzt. Im Stand der Technik werden üblicherweise elektromagnetische Aktoren mit Spulen verwendet, die den Ventilkörper verschwenken. Such fluidic control elements, that is, valves, are subdivided into a plurality of regions, but the valve body extends into the fluid space while the drive is seated outside the fluid space. In the prior art usually electromagnetic actuators are used with coils that pivot the valve body.
Als nachteilig hat sich dabei jedoch herausgestellt, dass der Aktor auch im stationären Zustand Energie aufnimmt, weshalb die Energieaufnahme der bekannten fluidischen Steuerelemente generell relativ hoch ist. Ferner eignen sich solche Spulen als Aktor nur dann, wenn sie nicht im Bereich von starken Magnetfeldern eingesetzt werden. However, it has proved to be disadvantageous that the actuator absorbs energy even in the stationary state, which is why the energy consumption of the known fluidic control elements is generally relatively high. Furthermore, such coils are suitable as an actuator only if they are not used in the range of strong magnetic fields.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein kompakt bauendes Steuerelement zu schaffen, welches sich durch eine geringe Energieaufnahme auszeichnet, aber trotzdem sehr schnell schaltet. The object of the invention is therefore to provide a compact design control, which is characterized by a low power consumption, but still switches very quickly.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem fluidischen Steuerelement der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Antrieb ein elektroaktiver Polymeraktor ist. Ein elektroaktiver Polymeraktor weist zwei flexible, großflächige Elektroden auf, zwischen denen eine im Wesentlichen inkompressible, flächige Polymerschicht angeordnet ist, beispielsweise ein inkompressibles Elastomer. Solche Aktoren sind folglich dünne, flächige, vorzugsweise in der Grundform sogar ebene Elemente. An den beiden flexiblen Elektroden kann eine Spannung angelegt werden, wodurch sich ein elektrisches Feld zwischen den beiden Elektroden aufbaut, sodass sie sich gegenseitig anziehen. Das dazwischen angeordnete inkompressible Polymer dehnt sich daraufhin senkrecht zur Feldrichtung des zwischen den beiden Elektroden ausgebildeten elektrischen Feldes aus. Dies liegt daran, dass das Volumen des Polymers aufgrund dessen Inkompressibilität konstant bleiben muss. Als Reaktion auf die Stauchung in die eine Richtung dehnt sich das Polymer daher in eine dazu senkrechte Richtung aus. Der Weg des Polymers zwischen seinem Ausgangszustand und seinem gestauchten Zustand wird zur Verstellung des Ventilelements verwendet, um den Ventilkörper entsprechend zu schalten. This object is achieved in a fluidic control of the type mentioned above in that the drive is an electroactive polymer actuator. An electroactive polymer actuator has two flexible, large-area electrodes, between which a substantially incompressible, planar polymer layer is arranged, for example an incompressible elastomer. Such actuators are therefore thin, planar, preferably even flat in their basic form. A voltage can be applied to the two flexible electrodes, which creates an electric field between the two electrodes so that they attract each other. The incompressible polymer disposed therebetween then expands perpendicular to the field direction of the electric field formed between the two electrodes. This is because the volume of the polymer must remain constant due to its incompressibility. Therefore, in response to the compression in one direction, the polymer expands in a direction perpendicular thereto. The path of the polymer between its initial state and its compressed state is used to adjust the valve element to switch the valve body accordingly.
Je nach Ausbildung des Steuerelements und der Anzahl der in den Fluidraum mündenden Strömungskanäle kann ein 2/2-Wege-Ventil oder ein 3/2-Wege-Ventil oder sogar ein 3/3- oder ein 5/3-Wege-Ventil als fluidisches Steuerelement entstehen. Zum Verstellen des Ventilkörpers wird nur eine sehr geringe Energiemenge benötigt, da der elektroaktive Polymeraktor sehr energieeffizient ist und im stationären Zustand abgesehen vom Ausgleich von Leckströmen keine Energie zieht und analog zu einem Kondensator ausgebildet ist. Der Polymeraktor benötigt keinerlei ferromagnetische Teile, sodass das erfindungsgemäße Steuerelement in starken Magnetfeldern einsetzbar ist. Depending on the design of the control element and the number of flow channels opening into the fluid space, a 2/2-way valve or a 3/2-way valve or even a 3/3 or 5/3-way valve can be used as fluidic Control arise. To adjust the valve body, only a very small amount of energy is required, since the electroactive polymer actuator is very energy efficient and in the stationary state, apart from the compensation of leakage currents draws no energy and is designed analogously to a capacitor. The polymer actuator does not require any ferromagnetic parts, so that the control element according to the invention can be used in strong magnetic fields.
Der Polymeraktor ist vorzugsweise in beiden entgegengesetzten Schwenkrichtungen fest mit dem Ventilkörper gekoppelt, insbesondere unmittelbar mit ihm verbunden, zum Beispiel über Formschluss. Damit wird auch eine unmittelbare Bewegungsübertragung erreicht. The polymer actuator is preferably coupled in both opposite pivot directions fixed to the valve body, in particular directly connected to it, for example via positive engagement. This also achieves an immediate transmission of motion.
Zur einfacheren und stabilen Befestigung kann am Polymeraktor entfernt von seinem Rand ein im Wesentlichen formstabiles Halterungsteil angebracht sein, welches am Ventilkörper befestigt ist. Über das Halterungsteil soll die Belastung auf den Polymeraktor, der ja extrem dünn und damit labil ist, auf eine größere Fläche übertragen werden. For easier and stable attachment can be attached to the polymer actuator away from its edge a substantially dimensionally stable support member which is attached to the valve body. About the support member, the burden on the polymer actuator, which is indeed extremely thin and thus labile to be transferred to a larger area.
Um den Polymeraktor, insbesondere die außenseitigen Elektroden, zu schonen, kann das Halterungsteil über eine Klemmverbindung oder eine dauerhafte Nietverbindung am Ventilkörper befestigt sein. In order to protect the polymer actuator, in particular the outside electrodes, the holding part can be fastened to the valve body via a clamping connection or a permanent riveted connection.
Eine leichte Auswechselbarkeit und Montage des Polymeraktors wird dadurch möglich, dass das Halterungsteil eine Klemmfeder aufweist, die randseitig um den Ventilkörper herum verläuft. Diese Klemmfeder ist einerseits am Ventilkörper lösbar angebracht, sodass dieser einfach nur auf oder in die Klemmfeder eingesteckt werden muss, und andererseits am Halterungsteil befestigt. Die Klemmfeder hat folglich vorzugsweise eine U- oder Ω-förmige Gestalt. Easy interchangeability and assembly of the polymer actuator is made possible by the fact that the holding part has a clamping spring which runs around the edge of the valve body. This clamping spring is on the one hand releasably attached to the valve body, so that it simply has to be inserted only on or in the clamping spring, and on the other hand attached to the support member. The clamping spring therefore preferably has a U- or Ω-shaped configuration.
Das Halterungsteil kann in der Mitte des Polymeraktors sitzen, das heißt in der Mitte der Fläche des Polymeraktors, um bei der Formänderung des Polymeraktors bei Spannungsanlegung möglichst gleichmäßig belastet zu werden. The support member may be located in the center of the polymer actuator, that is, in the center of the surface of the polymer actuator, to be loaded as evenly as possible during the change in shape of the polymer actuator under voltage application.
Der Polymeraktor kann in einem Antriebsraum des Steuerelements sitzen, in den der Ventilkörper vom Fluidraum aus hinein verläuft. Der Antriebsraum ist vom Fluidraum fluidtechnisch vorzugsweise getrennt, insbesondere über einen Dichtring, durch welchen der Ventilkörper im Bereich der Schwenkachse hindurch verläuft. Dieser Dichtring kann so ausgeführt sein, dass der Ventilkörper in den Dichtring eingebettet ist und mit dem Dichtring eine vormontierte Einheit bildet. Beispielsweise wird der Ventilkörper aus Metall hergestellt und umspritzt, wobei durch die Umspritzung der Dichtring hergestellt wird. Alternativ kann der Dichtring aufvulkanisiert werden. Der Dichtring umgibt dann den Fluidraum und dichtet zwei Gehäuseteile, die zwischen sich den Fluidraum bilden, nach außen ab. The polymer actuator may sit in a drive space of the control into which the valve body extends from the fluid space. The drive space is fluidly preferably separated from the fluid space, in particular via a sealing ring, through which the valve body extends in the region of the pivot axis. This sealing ring can be designed so that the valve body is embedded in the sealing ring and forms a preassembled unit with the sealing ring. For example, the valve body is made of metal and overmolded, being produced by the encapsulation of the sealing ring. Alternatively, the sealing ring can be vulcanised. The sealing ring then surrounds the fluid space and seals two housing parts, which form the fluid space between them, to the outside.
Besonders kompakt baut das fluidische Steuerelement, wenn der Ventilkörper einen von der Achse abstehenden, ersten Arm hat, der ausschließlich im Fluidraum liegt und gegen den Ventilsitz geschwenkt werden kann, sowie zumindest einen von der Achse abstehenden, ausschließlich außerhalb des Fluidraums liegenden zweiten Arm, mit welchem der Polymeraktor gekoppelt ist. Somit ist es nur die Achse selbst, die durch die Dichtung hindurchlaufen muss oder in deren Bereich der Antriebsraum vom Fluidraum fluiddicht abgetrennt sein muss. Durch den außerhalb des Fluidraums liegenden Polymeraktor ist nur die träge Masse einer Flüssigkeit im Fluidraum für die Bewegung des Ventilkörpers und ein schnelles Schalten hinderlich. The fluidic control element is particularly compact when the valve body has a first arm projecting from the axis, which is located exclusively in the fluid space and can be pivoted against the valve seat, and at least one second arm protruding from the axis and located only outside the fluid space to which the polymer actuator is coupled. Thus, it is only the axis itself that has to pass through the seal or in whose area the drive space has to be separated fluid-tight from the fluid space. By lying outside the fluid space polymer actuator only the inertial mass of a liquid in the fluid space for the movement of the valve body and a fast switching is a hindrance.
Der erste und der zweite Arm erstrecken sich vorzugsweise in die gleiche Richtung und können parallel verlaufen. The first and second arms preferably extend in the same direction and may be parallel.
Der Polymeraktor lässt sich randseitig an der Wand des Antriebsraums befestigen, und zwischen seinen Befestigungsstellen ragt er frei in das Innere des Antriebsraums, wo er an den Ventilkörper angekoppelt ist. Diese Ausführung sorgt für einen guten Hebelarm und für eine große Auslenkung des Ventilkörpers, welche durch den Polymeraktor erreichbar ist. Bei bisherigen Polymeraktoren wurde meist nur die Dickenänderung der Elastomerschicht in Richtung senkrecht zur Schicht verwendet, um eine Auslenkung zu erzielen. Um größere Auslenkungen zu erreichen, wurden mehrere Polymeraktoren schichtweise übereinandergesetzt. Dies ist natürlich teurer als die Verwendung nur einer „Schicht“, das heißt nur eines Polymeraktors. Indem aber erfindungsgemäß der Polymeraktor von der Wand schräg in Richtung zur Anbindungsstelle oder sogar senkrecht zur Anbindungsstelle am Ventilkörper verläuft, wird nicht die Dickenänderung allein zur Auslenkung des Ventilkörpers herangezogen, sondern die umso größere Breiten- oder Längenänderung der Elastomerschicht bei Spannungsanlegung. The polymer actuator can be fixed to the edge of the wall of the drive space, and between its attachment points it protrudes freely into the interior of the drive chamber, where it is coupled to the valve body. This design ensures a good lever arm and a large displacement of the valve body, which is accessible through the polymer actuator. In previous polymer actuators usually only the change in thickness of the elastomer layer was used in the direction perpendicular to the layer in order to achieve a deflection. To achieve larger deflections, several polymer actuators were stacked in layers. This is of course more expensive than the use of only one "layer", that is only one polymer actuator. However, according to the invention, if the polymer actuator runs obliquely from the wall in the direction of the connection point or even perpendicular to the connection point on the valve body, the change in thickness is not used solely for deflection of the valve body, but the greater change in width or length of the elastomer layer during voltage application.
Bei Anlegen einer Spannung bewegt sich der Polymeraktor und damit die Befestigungsstelle am Polymeraktor weiter vom Befestigungsrand weg ins Innere des Antriebsraums als ohne Anlegen der Spannung. Vergleichbar ist dies mit einer Membrane, die an einer offenen Seite eines Würfels eingespannt ist und von außen mit Druck beaufschlagt wird, sodass sie mit höherem Druck weiter ins Innere des Würfels ausbaucht. When a voltage is applied, the polymer actuator and thus the attachment point on the polymer actuator moves further away from the attachment edge into the interior of the drive space than without applying the voltage. This is similar to a membrane, which is clamped on an open side of a cube and is pressurized from the outside, so that it bulges with higher pressure further into the interior of the cube.
Zu betonen ist jedoch, dass im Vergleich zu diesem Beispiel der Polymeraktor nicht randseitig umlaufend an der Wand befestigt sein muss, sondern dass zwei entgegengesetzte Randabschnitte ausreichen, um ihn zu befestigen, sodass er sich zwischen seinen Enden bogenförmig erstreckt, wenn Spannung angelegt ist. It should be emphasized, however, that in comparison to this example, the polymer actuator does not have to be circumferentially fixed to the wall, but that two opposite edge portions are sufficient to secure it so that it extends arcuately between its ends when tension is applied.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind ein erster und zumindest ein zweiter Polymeraktor im Antriebsraum angeordnet. Diese Polymeraktoren können jeweils für die Schaltung in einer Richtung ausgerichtet sein oder sich zumindest bei der Bewegung des Ventilkörpers ergänzen. Insbesondere ist ein Polymeraktor auf einer Seite des Ventilkörpers und der andere Polymeraktor auf der entgegengesetzten Seite des Ventilkörpers angeordnet und jeweils mit diesem fest gekoppelt. Die Polymeraktoren können gegenläufig spannungsbeaufschlagt werden, das heißt, wenn sich ein Polymeraktor ausdehnt, zieht sich der andere zusammen. According to one embodiment of the invention, a first and at least one second polymer actuator are arranged in the drive space. These polymer actuators can each be aligned in one direction for the circuit or complement each other at least during the movement of the valve body. In particular, a polymer actuator is disposed on one side of the valve body and the other polymer actuator on the opposite side of the valve body and each fixedly coupled thereto. The polymer actuators can be stressed in opposite directions, that is, as one polymer actuator expands, the other contracts.
Es kann auch ein Federelement vorgesehen sein oder mehrere Federelemente, welches oder welche den Ventilkörper in eine Schwenkrichtung vorspannen. Wenn Spannung angelegt ist, wird der Polymeraktor weicher und länger. Das Federelement spannt dann den Polymeraktor, der wie ein Fangband für das Federelement wirkt. Es ergibt sich somit eine definierte Gestalt und Auslenkung der Einheit aus Federelement und Polymeraktor. Das bedeutet, es ist eine feste Position des Ventilkörpers bei angelegter Spannung sichergestellt. It can also be provided a spring element or a plurality of spring elements, which or which bias the valve body in a pivoting direction. When voltage is applied, the polymer actuator softens and becomes longer. The spring element then tensions the polymer actuator, which acts like a tether for the spring element. This results in a defined shape and deflection of the unit of spring element and polymer actuator. This means that a fixed position of the valve body is ensured when the voltage is applied.
Dieses Federelement kann beispielsweise so zwischen der Wand des Antriebsraums und dem Polymeraktor im Antriebsraum selbst angeordnet sein, dass es den Polymeraktor spannt, insbesondere in Richtung zum Inneren des Antriebsraums. This spring element can for example be arranged between the wall of the drive space and the polymer actuator in the drive space itself, that it biases the polymer actuator, in particular in the direction of the interior of the drive space.
Um das erfindungsgemäße Steuerelement exakt einstellen zu können, und zwar bezüglich der Lage des Ventilkörpers, kann eine Justageeinrichtung vorgesehen sein, über die zumindest eine Endlage des Ventilkörpers einstellbar ist, vorzugsweise stufenlos einstellbar ist. To be able to adjust the control according to the invention exactly, with respect to the position of the valve body, an adjustment device may be provided, via which at least one end position of the valve body is adjustable, preferably infinitely adjustable.
In diesem Zusammenhang besteht eine Lösung darin, eine verstellbare Wand als Justageeinrichtung vorzusehen, insbesondere eine Wand des Antriebsraums. Diese Wand wird mehr oder weniger weit zur gegenüberliegenden Wand verstellt, sodass die Position des Polymeraktors mit Verstellung der Wand und damit auch die Position des Ventilkörpers verändert werden. Die verstellbare Wand ist somit vorzugsweise diejenige Wand, an der der Polymeraktor angebracht ist. In this context, one solution is to provide an adjustable wall as an adjustment device, in particular a wall of the drive space. This wall is adjusted more or less far to the opposite wall, so that the position of the polymer actuator with adjustment of the wall and thus also the position of the valve body are changed. The adjustable wall is thus preferably the wall to which the polymer actuator is attached.
Eine weitere Option besteht darin, den Polymeraktor in einer im Gehäuse verschiebbaren Einheit unterzubringen. Diese Einheit ist insbesondere an einer Seite mit der Justageeinrichtung gekoppelt und an der entgegengesetzten Seite federnd vorgespannt. Im Gehäuse ist somit eine Art Führung oder Führungsraum ausgebildet, in welchen die Einheit eingesetzt und längs dieser verstellbar ist. Um eine einfache, spielfreie Mechanik zu schaffen, wird die Einheit von einer Seite aus verstellt, beispielsweise über eine Stellschraube, sodass die Einheit gegen die Feder auf der anderen Seite der Einheit permanent gedrückt ist. Another option is to accommodate the polymer actuator in a unit slidable in the housing. This unit is coupled in particular on one side with the adjustment device and resiliently biased on the opposite side. In the housing thus a kind of guide or guide space is formed, in which the unit is used and along this adjustable. To create a simple, backlash-free mechanism, the unit is adjusted from one side, for example via a set screw, so that the unit is permanently pressed against the spring on the other side of the unit.
Der Polymeraktor kann insbesondere ein streifenförmiger, zumindest einschichtiger Aktor sein, sodass die Bewegung des Ventilkörpers durch die Längenausdehnung in Längsrichtung des Streifens hervorgerufen wird. The polymer actuator may in particular be a strip-shaped, at least single-layered actuator, so that the movement of the valve body is caused by the longitudinal extension in the longitudinal direction of the strip.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description and from the following drawings, to which reference is made.
In den Zeichnungen zeigen: In the drawings show:
In
Die beiden Gehäuseteile
In den Fluidraum
In
Der Ventilkörper
Der Ventilkörper
Die Achse
Zwischen den zweiten Armen
Der Ventilkörper
Während der erste Arm
Auf die Gehäuseteile
Der Polymeraktor (siehe
Der Kontaktring
Der Polymeraktor
Die Koppelung des Polymeraktors
Die Klemmfeder
Auf der der Klemmfeder
Darüber hinaus ist optional ein Federelement
Durch das Anlegen einer Spannung wird der Antriebsarm
Das Steuerelement weist auch eine Justageeinrichtung auf, mit der sichergestellt wird, dass der Ventilkörper
Wie in den
Die in den
Bei der Ausführungsform nach den
Die beiden Polymeraktoren
Bei der Ausführungsform nach den
Die Kontaktierung der beiden Polymeraktoren
Auch bei der Ausführungsform nach den
Natürlich muss nicht zwingend nur ein einschichtiger Aktor vorgesehen sein, es können auch mehrere übereinandergestapelte Polymerschichten
Anhand von
Die Polymerfolie ist in den Kontaktring
Dabei besteht der Kontaktring
Bei dieser Konstruktion des Kontaktrings
Bei den Ausführungsformen mit zwei Polymerfolien wird eine Polymerfolie in einem Kontaktring
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